Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Kỹ thuật sấy là một ngành khoa học phát triển mãi từ những năm 50
đến 60 ở các Viện và các trường đại học trên thế giới chủ yếu giải quyết
những vấn đề kỹ thuật sấy các vật liệu cho công nghiệp và nông nghiệp.
Trong những năm 70 trở lại đây người ta đã đưa kỹ nghệ sấy các nông
sản thành những sản phẩm khô, không những kéo dài thời gian bảo quản
mà còn làm phong phú thêm các mặt hàng sản phẩm như: trái cây, cà phê,
sữa, bột, cá khô, thịt khô. Đối với nước ta là nước nhiệt đới ẩm, việc nghiên
cứu công nghệ sấy để sấy các nguyên vật liệu có ý nghĩa đặc biệt: kết hợp
phơi sấy để tiết kiệm năng lượng, nghiên cứu công nghệ sấy và thiết bị sấy
phù hợp với từng loại nguyên vật liệu để đạt được chất lượng cao nhất.
Đặc biệt là sấy cà phê nhân, đó là thành phẩm để chế biến cafe bột, cafe
sửa và các loại bánh kẹo cao cấp
Do đặc điểm cà phê nhân sau khi sấy phải đảm bảo mùi thơm, màu sắc
đặt trưng nên có nhiều phương pháp sấy khác nhau như sấy thùng quay, sấy
hầm, sấy tháp …
Trong đồ án này em có nhiệm vụ thiết kế thiết bị sấy thùng quay để
sấy cà phê nhân với năng suất 2000kg/h
Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống sấy mang tính
chất đào sâu chuyên ngành. Do kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh
khỏi sai sót trong qúa trình thiết kế. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ
và chỉ bảo tận tình của thầy giáo để tôi có thể hoàn thành tốt đồ án này.
1
Thit k thit b sy c phờ thựng quay nng sut 2000kg/h
Phn I
TNG QUAN V SN PHM - PHNG PHP
DY CHUYN CễNG NGH
I. Tng quan v sn phm
1. Cỏỳu taỷo giaới phỏựu quaớ caỡ phó
Quaớ caỡ phó gọửm coù nhổợng phỏửn sau : lồùp voớ quaớ, lồùp nhồùt, lồùp
voớ trỏỳu, lồùp voớ luỷa, nhỏn

(%)
Caỡ phó vọỳi
(%)
- Voớ quaớ 43 - 45 41 - 42
- Lồùp nhồùt 20 - 23 21 - 42
- Voớ trỏỳu 6 - 7,5 6 - 8
- Nhỏn vaỡ voớ luỷa 26 - 30 26 - 29
2. Thaỡnh phỏửn hoùa hoỹc cuớa c phờ nhõn.
Baớng2. 5: Thaỡnh phỏửn hoùa hoỹc cuớa nhỏn caỡ phó
THNH PHN HểA
HC
TNH BNG
m/100g
TNH BNG
mg/100g
- Nổồùc 8 - 12
- Chỏỳt dỏửu 4 - 18
- aỷm 1,8 - 2,5
- Protein 9 - 16
- Cafein 1 (Arabica ), 2 (Robusta)
- Clorogenic axit 2
- Trigonelline 1
- Tanin 2
- Cafetanic axit 8 - 9
- Cafeic axit 1
- Pentozan 5
- Tinh bọỹt 5 - 23
- Saccaro 5 - 10
- Xenlulo 10 - 20
- Hemixenlulo 20

cháút nhåìn bãn ngoi v phåi sáúy khä âãún mỉïc âäü nháút âënh.
- Giai âoản xay xạt, loải b cạc låïp v tráúu v mäüt pháưn v lủa,
tảo thnh c phã nhán.
+ Phỉång phạp
sản xuất khơ : chè cọ mäüt giai âoản chênh l sau khi
phåi qu c phã âãún mỉïc âäü nháút âënh dng mạy xạt khä loải b cạc låïp v
bao bc nhán, khäng cáưn qua giai âoản sản xuất c phã thọc.
So sánh 2 phương pháp ta thấy :
Phỉång phạp chãú biãún khä tuy âån gin, êt täún nàng lỉåüng, nhán
cäng nhỉng phỉång phạp ny cọ nhiãưu hản chãú l phủ thüc vo âiãưu kiãûn
thåìi tiãút. Nọ chè ph håüp våïi nåi cọ âiãưu kiãûn khê háûu nàõng nhiãưu mỉa êt,
khäng âạp ỉïng âỉåüc nhỉỵng u cáưu vãư màût cháút lỉåüng.
Phỉång phạp chãú biãún ướt phỉïc tảp hån, täún nhiãưu thiãút bë v
nàng lỉåüng hån, âäưìng thåìi âi hi dáy chuưn cäng nghãû cng nhỉ thao tạc
4
Thit k thit b sy c phờ thựng quay nng sut 2000kg/h
kyợ thuỏỷt cao hồn. Nhổng phổồng phaùp naỡy thờch hồỹp vồùi moỹi hoaỡn caớnh,
moỹi õióửu kióỷn khờ hỏỷu thồỡi tióỳt. ọửng thồỡi ruùt ngừn õổồỹc thồỡi gian saớn xuỏỳt,
tng nng suỏỳt cuớa nhaỡ maùy vaỡ nỏng cao chỏỳt lổồỹng saớn phỏứm caỡ phó nhỏn.
2. Dõy chuyn sn xut c phờ nhõn ( phng phỏp t)

5
Qu c phờ
Thu nhn
Sn phõn loi
B xiphụng
Mỏy tỏch v
Mỏy ỏnh nht
SY
H thụng sy tnh

6
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
7
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
5. Thuyết minh quy trình công nghệ
Vật liệu sấy là cà phê nhân sau khi đã qua phân loại, tách võ và
qua hệ thống sấy tĩnh để nâng nhiệt độ lên gần nhiệt độ tác nhân sấy để
tránh hiện tượng chênh lệch nhiệt độ quá cao giửa tác nhân sấy và cà phê
gây hiện tượng cháy cà phê. Độ ẩm của cà phê lúc này là 21%. Tác nhân
sấy là không khí sau khi qua caloriphe gia nhiệt để nâng nhiệt độ lên 80
0
C.
Tác nhân sấy vào cùng chiều với cà phê.
Thùng sấy được đặt nằm nghiên góc 3
0
so với mặt phẳng ngang.
Chuyể động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động, qua hộp
giảm tốc đến bánh răng gắn trên thùng. Bên trong thùng có lắp đặt các cánh
đảo trộn để nâng và đảo trộn vật liệu sấy do đó tăng cường bề mặt trao đổi
nhiệt giửa vật liệu sấy và tác nhân sấy.
Trong thùng cà phê nhân được nâng lên ở độ cao nhất định rồi
rơi xuống. Trong quá trình đó vật liệu sấy được trao đổi nhiệt với vật liệu
sấy và làm bay hơi ẩm. Khi đi hết chiều dài thùng sấy thì cà phê đảm bảo
độ ẩm yêu cầu cần thiết cho quá trình bảo quản
Sản phẩm sau khi sấy xong được đưa vào buồng tháo liệu và được
tháo ra ngoài qua cửa 5. Còn tác nhân sấy đi qua xyclon thu hồi bụi trước
khi thải ra ngoài môi trường.
8
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Phần II

Ct
p
o
b
5,235
42,4026
12exp
bar (CT 2.31/31 -TTTKHTS)
- Độ chứa ẩm:
b
b
pB
p
x
.
.
621,0
ϕ
ϕ
−
=
kg/kgkk (CT2.73/273 - TTTKHTS)
Với: B: áp suất khí trời, B = 1at = 0,981 bar
- Enthapy của không khí ẩm:
).842,12500(.006,1).(. txttCrxtCI
papk
++=++=
kJ/kgkk (CT2.24/29 - TTTKHTS)
Với: C
pk

3
/kgkk (CT VII.8/94 - STQTTB tập 2)
9
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Với: R : hằng số khí, R =8314 J/kmol.độ
. M: khối lượng không khí, M = 29 kg/kmol
B: áp suất khí trời và phân áp suất bão hòa của hơi
nước trong không khí, N/m
2
- Lưu lượng không khí ẩm:
V = v.L ,m
3
/kg
với: . L : lưu lượng không khí khô, kg/h
. v : thể tìch riêng, m
3
2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết.
Quá trình sấy lý thuyết không có hồi lưu biểu diễn trên đồ thò I-
d (hình vẽ)

ϕ
1
ϕ
2
t1
t0
0
I
d
I

thuyết
3.Trạng thái khơng khí ngồi trời
Hàm ẩm ban đầu
boo
boo
o
pB
p
x
.
.
622,0
ϕ
ϕ
−
=

p
po
: áp suất hơi bão hòa ở 25
0
C
03154,0
255,235
42,4026
12exp
5,235
42,4026
12exp =


622,0
−
= 0,0168 (kg/kgkkk)
Hàm nhiệt ẩm của không khí
924,67)25.842,12500.(0168,025.006,1
).842,12500(.006.1
=++=
++=
oooo
txtI
Thể tích riêng của không khí ẩm :

899,0
10.03154,0.82,010.981,0
)27325(288
.
.288
55
=
−
+
=
−
=
o
bo
o
o
pB
T







+
−=








+
−=
t
p
b
(bar)

1
1
1
1
1
.
.


956,124)80.842,12500.(0168,080.006,1
).842,12500(.006,1
1111
=++=
++= txtI

064,1
10.4667,0.0553,010.981,0
)27380(288
.
.288
55
1
1
1
1
=
−
+
=
−
=
b
pB
T
v
ϕ
(m
3


+
−=








+
−=
t
p
b
bar
Ta có I
2
= 1,004t
2
+x
2
(2500+1,842t
2
)
11
(kJ/kgkk)
(kJ/kgkk)
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h

=
+
=
xp
Bx
bh
ϕ
=48,9 %
98,0
10.09495,0*489,010.981,0
)27345(*288
.
.288
55
22
2
2
=
−
+
=
−
=
bh
pB
T
v
ϕ
(m
3

, W
2
: Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy,tính theo % khối
lượng vật liệu ướt
• W: Độ ẩm được tách ra khỏi vật liệu khi đi qua máy sấy , (Kg/h)
• L:Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua mấy sấy , (Kg/h)
• x
o
:Hàm ẩm của không khí trước khi vào caloripher sưởi ,
(Kg/Kgkkk)
• x
1
,x
2
: Hàm ẩm của không khí trước khi vào mấy sấy (sau khi đi qua
caloripher sưởi) và sau khi ra khỏi mấy sấy,(Kg/Kgkkk
1.Cân bằng vật liệu cho vật liệu sấy
Trong quá trình sấy xem như không có hiện tượng mất mát vật liệu.
Lượng vật liệu khô tuyệt đối qua máy sấy là :
1580
100
21100
2000
100
100
100
100
.
2
1

2000
−
−
= 227,85 (kg/h)
Lượng vật liệu trước khi vào phòng sấy :
G
1
= G
2
+ W = 2000 + 227.8 = 2227,85 (kg/h)
Lấy G
1
= 2230 kg/h => W = G
1
-G
2
= 2230-2000 = 230 (kg/h)
2. Cán bàòng váût liãûu cho khäng khê sáúy
Vì tính theo sấy lý thuyết nên coi không khí khô đi qua máy sấy
không bị mất trong quá trình sấy.
Khi làm việc ổn định thì không khí sấy mang theo lượng ẩm Lx
1
.
Sau khi sấy lượng ẩm bốc ra từ vật liệu W.
Lương ẩm trong không khí khỏi mấysấy:Lx
2

Lúc này ta có phương trình cân bằng :
Lx
1

l =
12
1
xx −
=
02
1
xx −

thay số :
922,70
0168,00309,0
11
12
=
−
=
−
=
xx
l
(kgkk/k.ẩm)
BẢNG TỔNG KẾT CÂN BẰNG VẬT LIỆU
Đại lượng Giá trị Đơn vị
G
1
2230 Kg/h
G
2
2000 Kg/h

Lưu lượng thể tích trung bình là :
V
tb
= 0.5(V
1
+ V
2
) = 0.5*(17356,029 + 15985,816) = 16670,922 (m
3
/h)
III. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1. Tính thời gian sấy :
(w
1
-w
2
) = M' (0.158
τ
+3) (CT 10.12 /210 - [1])
Với M'=M.10
-2

, M là hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình của hạt
Chon đường kính của cà phê là d = 7mm (Bảng 10.3/210 - TTTKHTS)
M = 0.53 => M' = 0.53.10
-2
τ
=
26.109.0*3
10.53.0

τ
: thời gian sấy ( giờ)
β
: hệ số điền đầy ,
β
= 0.2-0.3 chọn
β
=0.3
ρ
: khối lượng riêng của vật liệu sấy (kg/m
3
)
V =
4.14
3.0*650
26.1*2230
=
m
3
3. Xác định đường kính và chiều dài thùng sấy
Ta chọn tỉ lệ
5.3=
D
L
hay L=3.5D (10.1/207 - TTTKHTS)
14
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Khi đó đường kính thùng sấy được xác định :
V =
4

1
1
=
′
vg/ph (VII.52/122 - sổ tay QTTB tập 2)
Trong đó: k
1
: hệ số lưu ý đến đặc tính chuyển động của vật liệu.
Trường hợp sấy xuôi chiều: chọn k
1
=1.2
m : hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng.
Đối với cánh nâng, m = 1

α
: góc nghiên của thùng . Chọn
α
= 3 => tg3= 0.0524
⇒

069.1
3*7,1*6.75
6*2.1*11
1
===
′
tgtgD

IV. PHẦN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
1. Xây dựng q trình sấy lý thuyết
Gọi :
* t
v1
: nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, thường
lấy bằng nhiệt độ môi trường: t
vl1
= t
o
= 25
o
C
* t
vl2
: nhiệt độ cuối của vật liệu sấy sau khi ra khỏi
thiết bò sấy:
t
vl2
= t
2
– (5 410
o
C) = 45 – 5 = 40
o
C
C
v1
= C
v2

K
C
kh
ơ

=1.05
KJ/kgđộ : nhiệt dung riêng của vật liệu khơ tuyệt đối
C
v
= C
kh
ơ
(1-W
2
) + C
a
.W
2
= 1,05(1 - 0,12) + 4,18.0,12
= 1.4256 (kJ/kg
o
K)
- Nhiệt lượng đưa vào thiết bò sấy gồm:
 Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào : q
kkv
q
kkv
=l.I
0
= 70,922* 67.942 = 4818,583 (KJ/kg ẩm).

25*4256.1*2230
=+
(KJ/Kg)
Tổng lượng nhiệt vào :
∑
q
v
= l.I
o
+ q
s
+ q
vls

= 4818,583 + 4043,547 + 449,908 = 9312,038 (KJ/Kgẩm)
- Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bò sấy gồm:
 Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi: q
kkr
q
kkr
= l.I
2
= 70,922*124,956 = 8862,129 (KJ/Kgẩm )
 Nhiệt lượng tổn thất ra mơi trường xung quanh : q
m
 Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: q
vlr
q
vlr
=

=
∑
k
(kcal/m
2
.h.
o
C ) (CT7.42/142 - TTTKHTS)
λ
δ
∑
: tổng nhiệt trở của máy sấy
1
α
là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong của phòng sấy
)(
,
2
,
11
ααα
+= k
Với
,
1
α
là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu
cưỡng bức (W/m
2
độ)

1
22
−
=−=
D
F
td
π
β
= 1,588 m
3
Với
β
= 0,3 là hệ số chứa đầy
Täúc âäü tạc nhán sáúy l thuút:
893.0
588.1
418.1
===
td
tb
lt
F
V
ω
m/s
Chế độ chảy của tác nhân sấy trong thiết bò:
- Chuẩn số Reynolds:
5
5

.Re
0,8
= 0.018.
ε
l
.R
0.8
(V.42/16 - STQTTB tập 2)
Trong đó
ε
l
phụ thuộc vào tỉ số
D
L
và Re
Với: Re = 0,80848.10
5

5.3=
D
L
(Bảng V.2/15 - STQTTB tập 2)
Vậy Nu = 0,18*1,202*(0,80848.10
5
)
0.8
= 1825,208
Mà
λ
α

0
C (W/m độ)
T : nhiệt độ tuyệt đối của kk (
0
K)
c : hằng số phụ thuộc vào loại khí
Tra bảng I.122 (sổ tay QTTB tập I ta được c = 122 ,
0
λ
= 0,0201
=>
0181,0)
273
2735,62
(
1222735,62
122273
0201,0
5
1
=
+
++
+
=
λ
( W/m.độ)
=>
1
α

β
tDg ∆
=
2
2
3
*
**
T
tDg
ν
∆
(CT V.39/13 - STQTTB tập 2)
=
)27345(*)10.81776.1(
)4580(*7.1*81.9
25
3
+
−
−
= 1.605.10
10
 Nu = (6,925.10
9
)
0.25
*0,47 = 167,301

1

22
ααα
+=
: hệ số cấp nhiệt của tường ra mơi trường xung quanh
,
2
α
: hệ số cấp nhiệt mặt ngồi do mấy sấy đối lưu tự nhiên
,,
2
α
: hệ số cấp nhiệt do bức xạ
Chọn nhiệt độ thành ngồi của máy sấy là t
3
= 35
0
C là nhiệt độ thích hợp để
TNS truyền qua thùng và lớp cách nhiệt phía ngồi thùng sao cho khơng
còn q nóng , an tồn cho người lao động
Chọn các bề dày của thùng:
STT Đại lượng
Ký
hiệu
Giá trò chọn
(m)
Vật liệu
Hệ số dẫn
nhiệt
λ (W/mK)
19

0
C ta có các thơng số bên ngồi thùng sấy:
STT Thông số
Kí
hiệu
Đơn vò Giá trò
1 Nhiệt độ t
o
o
C 25
2 Hệ số dẫn nhiệt λ
o
W/m.
o
K 0,0262
3 Độ nhớt µ
o
Ns/m
2
1,7665.10
-5
4
Áp suất hơi bãohòa
p
b
bar 0,981
5 Khối lượng riêng ρ
o
kg/m
3

ν
=
)27325(*)10.5138,1(
))2535(*72,1*81,9
25
3
+
−
−
= 4,2498.10
9
- Chuẩn số Nuselt :
Nu = 0.47.Gr
0.25
= 0.47* (4,2498.10
9
)
0.25
=120,003
- Hệ số cấp nhiệt
,
2
α
=
828,1
72.1
003,120*0262.0
.
0
==














−






=
′′
εα
,W/m
2
K
(CT-V.35/41 - STQTTB tập 2 )
20
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Trong đó:

27325
100
27335
.9,0.7,5
)(
100100
7,5
44
21
4
2
4
1
2
=
−

















=
′′
TT
TT
εα
Hệ số cấp nhiệt chung :
,,
2
,
22
ααα
+=
= 1,828+5,71= 7,538 ( W/m
2
độ)
Hệ số truyền nhiệt k :
046,4
538,7
1
50
001,0
05,0
001,0
50
008,0
606,10
1
1

=
+
tb
DD
(m)
- Bền mặt truyền nhiệt máy sấy bao gồm diện tích xung quanh và diện tích
2 đầu của thùng :
21
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
826.36
4
71,1*
*26*71,1*
4
.
.2
2
2
=+=
+=
π
π
π
π
tb
tb
D
LDF
- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và không khí bên ngoài:
m

o
C Hiệu số nhiệt độ của khơng khí
ra khỏi máy sấy và nhiệt độ mơi trường
=>
m
m
tb
t
t
tt
t
∆
∆
∆−∆
=∆
δ
δ
ln
=
6,34
20
55
ln
2055
=
−

o
C
Tổn thất qua vỏ máy sấy là :

BẢNG KẾT QUẢ SỐ LIỆU TÍNH THEO SẤY LÝ
THUYẾT
ĐẠI
LƯỢNG
GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ
Tổng 9312,038 KJ/Kg ẩm
22
(m
2
)
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
nhiệt vào
Tổng
nhiệt ra
9380,404 KJ/Kg ẩm
Hệ số
truyền
nhiệt
4,046
Tổn thất
qua võ
máy sấy
22,414 KJ/Kg ẩm
2. Xây dựng quá trình sấy thực
Vì quá trình sấy không bổ sung nhiệt lượng :
- Tìm giá trị
∆
( lượng nhiệt bổ sung thực tế )
∆
= C

(KJ/Kg)
Xác định các thông số của quá trình sấy thực :
- Nhiệt dung riêng dẩn xuất
C
dx
(x
1
) = C
pk
+ C
pa
x
1
= 1.006+1.842*0.0168 = 1.03694 (KJ/Kgkkk)
C
pk
= 1.006 (KJ/Kgkk ) nhiệt dung riêng của không khí
C
pa
= 1.842 (KJ/kgkk) nhiệt dung riêng của hơi nước
-Lượng chứa ẩm i của tác nhân sấy sau quá trình sấy
thực :
Ta có: i
2
= 2500 + 1.842*t
2
= 2500+1.842*45 = 2582,89
x
2
= x

= 1,006*45 + 0,0303* 2582,89= 123,532 (KJ/Kgkk)
23
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
- Độ ẩm :
4799.0
)0303,0622,0.(09495,0
981,0.0303,0
)622,0(
.
22
2
2
=
+
=
+
=
xp
Bx
bh
ϕ
= 47.99 %
Lượng tác nhân sấy cần thiết cho quá trình sấy thực để làm bay
hơi 1kg ẩm là :
0168,00303,0
11
12
−
=
−

riêng
4218,636 KJ/kg ẩm
24
Thit k thit b sy c phờ thựng quay nng sut 2000kg/h
Phn III
TNH TON THIT B PH
I. Tớnh toỏn calorife
Ta chn calorife khớ hi, loi thit b truyn nhit kiu ng chựm,
trong thit b thỡ hi nc bóo hũa i trong ng truyn nhit, cũn khụng khớ
i ngoi ng
1 . Choỹn kờch thổồùc truyóửn nhióỷt
Chn ng truyn nhit bng thộp CT20 cú h s dn nhit ca st l
57=

W/m. Chn ng truyn nhit :
-ng kớnh ngoi ca ng: d
ng
= 0.016(m)
-ng kớnh trong ca ng: d
tr
= 0.0128(m)
-Chiu dy ca ng:

=
2
trng
dd
= 0.0016 (m)
-ng kớnh ca gõn: D
g

F
tr
=

*d
tr
*l = 3.14*0,0128*1,5 = 0,06( m
2
)
- Din tớch mt ngoi ca ng:
F
ng
=
*

d
ng
*l = 3.14*0.016*1,5 = 0.0754 (m
2
)
- Din tớch phn b mt ngoi ca mt ng
25